計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)綜述

何春俐

（黑龍江省佳木斯大學(xué)附屬第二醫(yī)院，黑龍江 佳木斯 154002）

0 引 言

CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡(jiǎn)單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確；另一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步[1]。

1 CA E技術(shù)概述

計(jì)算機(jī)輔助工程CAE(Computer Aided Engineer?ing)，泛指包括分析、計(jì)算和仿真在內(nèi)的一切研發(fā)活動(dòng)。傳統(tǒng)的CAE主要是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算和分析仿真，其核心是基于計(jì)算力學(xué)的有限元分析技術(shù)。制造工程協(xié)會(huì)SAE將計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)作為CIM技術(shù)構(gòu)成進(jìn)行如下定義：分析設(shè)計(jì)和進(jìn)行運(yùn)行仿真，以決定它的性能特征和對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)則的遵循程度[2]。

CAE技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，CAE軟件是由計(jì)算力學(xué)、數(shù)字仿真技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、工程管理學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，而形成一種綜合性、知識(shí)密集型信息產(chǎn)品。在近20年來市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，CAE技術(shù)有了長足的發(fā)展，它作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，不斷地受到科技界和工程界的重視。21世紀(jì)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)向更高速和更小型化的發(fā)展，分析軟件的不斷開發(fā)和完善以及網(wǎng)絡(luò)通訊的普及，CAE技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣泛并成為衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)水平和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。

2 CA E技術(shù)的應(yīng)用

2.1 汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

CAE在汽車設(shè)計(jì)行業(yè)中的應(yīng)用最多的。車身方面，可進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)有限元分析，車身外型空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬，車身噪聲分析；發(fā)動(dòng)機(jī)方面可進(jìn)行其性能的計(jì)算機(jī)估計(jì)，燃燒過程的計(jì)算機(jī)模擬，冷卻、傳熱的有限元分析、缸體等結(jié)構(gòu)的有限元強(qiáng)度分析；在底盤方面，可進(jìn)行車架有限元分析，懸架機(jī)構(gòu)有限元分析，變速器、傳動(dòng)軸及車橋等結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析；整車方面，可進(jìn)行汽車平順性，操縱穩(wěn)定性的計(jì)算機(jī)模擬及撞車的有限元模擬。通過采用CAE技術(shù)，極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，減少了開發(fā)費(fèi)用，而且也有利于通過優(yōu)化等手段開發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車整車和零部件。

2.2 飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用

采用CAE技術(shù)以后，可以在設(shè)計(jì)階段就通過仿真系統(tǒng)模擬飛機(jī)的性能，從而在設(shè)計(jì)階段就可以對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，其計(jì)算數(shù)據(jù)也可以用來指導(dǎo)試驗(yàn)，大大節(jié)約了研發(fā)的周期和成本。

2.3 模具制造行業(yè)中的應(yīng)用

在模具設(shè)計(jì)工序中進(jìn)行CAE是為了尋求在沖壓加工中常常發(fā)生的不良變形、開裂、起皺等的解決對(duì)策，同時(shí)通過CAE的有限元法分析模具工作面周圍的結(jié)構(gòu)，減輕模具結(jié)構(gòu)的總重量，增加剛性分析沖壓過程中模具各部的發(fā)熱情況以便于模架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)合理分布冷卻水管，延長模具耐用度。分析注塑模的注塑過程的材料流動(dòng)情況使材料流動(dòng)更合理，更好解決材料收縮的問題；分析三維圖形數(shù)據(jù)是否正確，核對(duì)圖形，分析曲面形狀的曲率變化情況，把分析的結(jié)果反饋給CAD階段使之外觀更美觀、工件更容易成形[3]。

2.4 板材加工成型中的應(yīng)用

板料成形從力學(xué)角度而言，是一個(gè)包括幾何、材料、邊界等強(qiáng)非線性問題的、非常復(fù)雜的力學(xué)過程，以往人們求解多以解析法實(shí)現(xiàn)其誤差甚大。近年來，板料成形的計(jì)算機(jī)模擬和分析在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中發(fā)揮著越來越重要的作用。其中主要涉及單元技術(shù)及網(wǎng)格劃分、本構(gòu)關(guān)系、算法的選擇、接觸缺陷處理等關(guān)鍵技術(shù)以及仿真與集成等應(yīng)用方法。

2.5 其他行業(yè)中的應(yīng)用

隨著CAE技術(shù)的不斷成熟和CAE軟件向高性能方面的發(fā)展，CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，不僅在機(jī)械制造業(yè)得到了廣泛的使用，在其他領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)、冶金、建筑橋梁、電子產(chǎn)品制造以及日用消費(fèi)品的制造中都得到了應(yīng)用。著名體育用品廠商耐克公司，在高級(jí)旅游鞋的受力結(jié)構(gòu)研究設(shè)計(jì)中，就是采用有限元分析技術(shù)在保證鞋體受力均衡的前提下，取得了鞋的最理想重量。

3 CA E技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

1）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)模型、專家經(jīng)驗(yàn)的過程化、修改/升級(jí)模板和通用化。以進(jìn)一步改善和提高設(shè)計(jì)效率。

2）創(chuàng)建大規(guī)模漸進(jìn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以減少或避免產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)過程的中斷，保證過程延續(xù)性。

3）降低對(duì)不同的個(gè)別的CAE工具軟件的依賴性，提供零文本編輯的用戶界面，加上智能化，以最大程度方便各種水平的用戶。

4）CAE軟件面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)，高性能價(jià)格比的大容量存貯器及其高速存取技術(shù)在迅速發(fā)展，PC機(jī)的硬盤容量很快將有GB量級(jí)達(dá)到TB量級(jí)，用戶將要求更多的計(jì)算模型、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計(jì)方案和知識(shí)性信息納入CAE軟件的數(shù)據(jù)庫中，這必將推動(dòng)CAE軟件數(shù)據(jù)庫及其數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展，高性能的面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)在新一代的CAE軟件中[4]。

4 結(jié) 語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAE技術(shù)獲得越來越廣泛的應(yīng)用，這不僅能夠有效地改變?cè)O(shè)計(jì)思想和方法，提高設(shè)計(jì)能力和技術(shù)創(chuàng)新能力，還可以大大降低實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，提高效率。

[1] 孫東印,司建明,李郁.綜述CAE技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2011(2):25-27.

[2] 張樹桐.淺談?dòng)?jì)算機(jī)輔助工程（CAE）的發(fā)展及應(yīng)用[J].科技傳播,2010(16):232-233.

[3] 梅飛.計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述[J].滁州學(xué)院學(xué)報(bào),2007(5):45-47.

[4] 姚偉.淺談CAE技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011(27):17.